太原科技大学刘一鸣、吕超杰&南京信息工程大学耿东生:氮硫共掺杂调控Pt-碳界面作用,实现甲醇氧化性能大幅跃升

图1：氮硫共掺杂空心碳球载Pt纳米颗粒的制备与形貌表征图。

图1（a-g）显示Pt@N,S-HCN催化剂保持规整的空心球纳米结构，内部空腔直径约200 nm、壳层厚度约50 nm，硫掺杂未造成碳骨架结构坍塌。（f-j）显示Pt纳米颗粒平均粒径约2.09 nm，在碳球表面高度分散无团聚，且C、N、S、Pt元素均匀分布。

图2：Pt@N,S-HCN和Pt@N-HCN的组成和结构表征。

图2（a）的XRD表征显示，NS共掺杂未改变Pt纳米颗粒的晶体结构类型。图2（b-c）表明S原子的嵌入-重构而导致BET比表面积和孔径分布增大。图2（d）的拉曼光谱证实硫掺杂使碳晶格缺陷显著增加，这些缺陷会促使表面碳电子重排。图2（e-i）的XPS光谱证实，氮硫共掺杂诱导N原子从吡咯N向吡啶N转化，且Pt 4f特征峰发生0.2 eV正移，Pt^x+占比从31.1%提升至41.4%。图2（j-k）显示催化剂功函数降至4.46 eV、电离势提升至7.96 eV，优化了催化反应的电子传输环境。

图3：Pt@N,S-HCN和Pt@N-HCN在碱性介质中的MOR性能。

图3（a-h）于碱性介质（1 M KOH+1 M CH₃OH）中电化学测试显示，Pt@N,S-HCN的甲醇氧化活性、反应动力学、CO耐受性指标均优于商业Pt/C和单掺杂样品，且稳定性测试后活性保留率达93.2%。

图4：Pt@N,S-HCN和Pt@N-HCN在酸性介质中的MOR性能。

图4（a-h）的酸性介质（0.5 M H₂SO₄ + 1 M CH₃OH）电化学测试表明，Pt@N,S-HCN催化剂在OH^-稀缺的严苛条件下仍展现出24.48 mA cm^-2的氧化峰值电流、1.45 的I_f/I_b 比值，展现了最佳的MOR活性和CO耐受性。其在4000 s恒电位测试后活性保留率最高为89.9%，塔菲尔斜率仅289.7 mV dec^-1，在酸性体系中仍保持优异的反应动力学。且空心碳球的限域效应与杂原子的锚定作用可有效抑制Pt纳米颗粒团聚与溶解，提升了催化剂的结构稳定性。以上酸性碱性的性能测试联动，突破了传统Pt基催化剂的pH适用瓶颈。

图5：氮硫共掺杂下Pt-碳界面作用与MOR的理论模拟计算。

图5（a-e）DFT理论计算结果显示，氮硫共掺杂使Pt位点对*OH吸附自由能相较于单掺杂样品显著增大，将加速Pt-CO_ads + 2OH⁻(aq.) → Pt + CO₂ + H₂O + 2e⁻ 反应，导致有毒中间体CO_ads的快速氧化去除。图5（f-g）的差分电荷密度与Bader电荷分析证实，氮硫共掺杂推动电子从Pt向碳载体定向迁移，Pt原子失电子数达0.268|e|，金属-载体强相互作用显著增强。图5（h）显示Pt 4d轨道d带中心上移0.05 eV，Pt原子与反应中间体的轨道重叠增大，增强了与*OH的相互作用。

图6：碱性介质下的电子结构调控与MOR机理分析。

图 6（a-d）明确在碱性介质中氮硫共掺杂可加速甲醇氧化脱氢的电子转移过程，降低电子转移能垒，阐明“电子传输优化-中间体吸附增强”的协同机理，实现CO_ads的快速氧化，从根源上缓解CO毒化。

图7：根据电离势模拟的酸性介质下水分子的吸附及MOR机理分析。

图7（a-c）显示，酸性条件下氮硫共掺杂通过形成电子缺陷域，优化Pt位点结构，降低H-OH键解离能垒，持续供给*OH，揭示酸性体系“水解离促进-活性位点再生”的调控路径。

博士，太原科技大学化学工程与技术学院讲师。2024年于北京科技大学获博士学位，同年加入太原科技大学催化转化能源耦合山西省重点实验室团队。研究方向聚焦于纳米材料和电化学能源存储方面，近年来在Appl. Catal. B Environ.、Coord. Chem. Rev.、Nano Energy、Small、Carbon Neutral.、Chem. Eng. J.、ChemSusChem等国际顶流期刊发表SCI学术论文30余篇，授权/申请专利10余项。

博士，副教授，硕士生导师。2023年加入太原科技大学化学工程与技术学院，依托催化转化能源耦合山西省重点实验室团队开展研究工作，主要研究方向聚焦于纳米材料的结构设计及其在电催化水分解和燃料电池应用方面。主持山西省基础研究计划项目和中央引导地方科技发展资金项目。目前，以第一作者或通讯作者身份，在Coord. Chem. Rev., Appl. Catal. B Environ., Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., Small, J. Colloid Interface Sci., J. Mater. Chem. A, Adv. Compos. Hybrid Mater.、Carbon Neutral.等国际顶流期刊发表SCI学术论文20余篇，授权/申请专利10余项。

教授、博士生导师。南京信息工程大学新能源器件与界面科学江苏高校重点实验室主任；2015 年获得国家重大人才工程青年项目；先后入选美国科睿唯安全球高被引科学家榜单（交叉学科领域，2018）；斯坦福大学公布的全球前2%顶尖科学家职业生涯科学影响力榜单（2023-2026）。累计在国际权威期刊共发表论文近150篇（包括Nature Commun., Energy Environ. Sci., Mater. Today, ACS Nano等），总引用12000多次（单篇最高被引1260次），H因子53，授权发明专利6项。2014年欧盟石墨烯旗舰项目评审专家；2019年以第一主编出版《Layered Materials for Energy Storage and Conversion》英文专著。工作经历涵盖多国（加拿大、日本、新加坡、中国）大学、国家研究院，长期致力于能源转化相关的新型功能材料与器件等前沿领域研究。

教授，研究员，博士生导师，山西省青年拔尖人才，山西省学术技术带头人，山西省三晋英才拔尖骨干人才。山西省光电纳米催化应用工程研究中心主任、催化转化能源耦合山西省重点实验室执行主任。科研方面主要从事光电催化、二氧化碳转化、生物质绿色制备及功能材料等方面的研究。发表论文120余篇，其中以第一作者和通讯作者在Adv. Funct. Mater、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Catalysis、Fuel等发表SCI收录文章120余篇；主持和参与各类项目30余项，其中主持国家自然基金（面上）3项、国家自然基金（联合基金）重点项目1项、山西省重点研发计划项目、山西省优秀人才创新计划项目、山西省基础研究计划联合资助项目等省级项目8项；获得山西省科学技术奖二等奖3项，三等奖2项。

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊，并于2025年获得首个影响因子 12 。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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